Плотность воды при температурах от 40ºС до 100ºС

Температура, ºС	Плотность, ρв кг/м3	Температура, ºС	Плотность, ρв кг/м3
40	992,24	75	974,84
45	990,25	80	972,45
50	988,07	85	968,65
55	985,73	90	968,34
60	983,75	95	961,92
65	981,13	100	958,38
70	977,81

Из-за отсутствия подробных данных о суточном водопотреблении (при конкретных условиях эксплуатации), часто используют суточные расходы из СНиП 2.04.01-85* «Внутренний водопровод и канализация зданий», приложение 3. В указанной формуле следует использовать эти данные при отсутствии местных норм потребления ГВС.

Следует учитывать, что в указанном СНиП регламентируются не «нормы» (в смысле необходимого количества воды на все нужды), а расчётные расходы, позволяющие запроектировать систему горячего водоснабжения.

В Таблице 5 приведены нормы расходов [2] по многолетним фактическим замерам в г.Москве. Нормы расхода горячей воды в средние сутки определены при конкретных условиях эксплуатации; они не соответствуют суточным нормам горячей воды из СНиП .

Нормы СНиП приведены для средних по стране условий водопользования (этажность – 9 этажей, среднее давление – 0,45 МПа, средняя заселённость жилых зданий – 4 чел./квартиру) и включают потери воды (25%).

Таблица 5

Нормы расхода воды потребителями для г.Москвы

Потребители	Измеритель	Норма расхода горячей  воды в средние сутки при tг=55ºС и Нэф=10 м gсрд, л/(сут · чел.)
Жилые дома квартирного типа с центальным горячим водоснабжением:
оборудованные умывальниками, мойками и душами	1 житель	67,87
с сидячими ваннами, оборудованными душами	1 житель	71,87
с ванными длиной от 1500 до 1700 мм, оборудованными душами	1 житель	83,84
при высоте зданий более 12 этажей и повышенных требованиях к их благоустройству	1 житель	91,83
Общежития
с общими душевыми	1 житель	39,93
с душами при всех жилых комнатах	1 житель	47,91
с общими кухнями и блоками душевых на этажах при жилых комнатах в каждой секции здания	1 житель	63,88

Пример: Подобрать котельное оборудование для отопления жилого дома с наружным объёмом 19 тыс. м³, расположенного в г.Москве. Средняя температура в помещениях +18ºС.

По таблице 1 находим удельную тепловую характеристику здания объёмом до 20 тыс. м³ : q₀ =0,36.

По Приложению 8 СНиП 2.04.05-91*: расчётная температура наружного воздуха по параметрам Б для Москвы -26ºС.

Вычисляем поправочный коэффициент:  а = 0,54 + 22 / 18 – (-26) = 1,04

Таким образом, теплопотери дома составят:

Q_у.п  =  1,04 · 0,36 · 19.000 · [18 –  (-26)] = 312998,4 Вт ≈ 313 кВт  

Учитывая тот факт, что фактические удельные теплопотери здания (см. выше) могут быть выше нормативных на 5(10%, теплопроизводительность отопительного оборудования должна составлять: 313 + 7,5% = 336 кВт

Широкий типоразмерный ряд котлов Mighty Therm модели НН LAARS позволяет выбрать максимально соответствующее расчетной тепловой нагрузке оборудование, чем достигается наиболее рациональный и экономичный режим потребления тепловой энергии. В таблице 6 представлены теплогидравлические характеристики всего ряда котлов. Исходя из принципа резервирования, делим полученную теплопроизводительность пополам, получаем 168 кВт; по таблице 6 находим типоразмер котла, ближайший к данному значению: нам требуется 2 котла НН0715 производительностью 170 кВт каждый. Эта же таблица позволяет подобрать котловой насос к котлу для рабочего перепада температуры воды через котёл (рекомендуемый перепад Δt = 14°C). Указанный перепад определяется условиями скоростного режима котла.

Подбор котловых насосов по скорости. Гидронные котлы требуют определенной скорости потока воды через теплообменник (в среднем 2,1 м/сек). Это достигается путем подбора котлового насоса по параметрам котла (расход воды через теплообменник и гидравлическое сопротивление котла), которые приведены в паспорте к каждому котлу и в таблице 6.

Строгое соблюдение скоростного режима котла определяется:

       во-первых, малоемкостной конструкцией теплообменника, при которой важно обеспечить требуемый темп отбора тепла от котла в систему;

во-вторых, необходимостью обеспечения эффекта «самоочищения» труб теплообменника, т.е. предотвращения процесса образования накипи и механических отложений на внутренних поверхностях теплообмена.

Более подробно о принципах подбора насосов – см. в соответствующем разделе настоящего пособия.

Таблица 6

Таблица расходов и потерь напора в котлах LAARS модели НН

Типоразмер     котла LAARS Модели HH	Теплопроизводтельность котла, кВт	Повышение температуры воды при однократном проходе через котёл
		Δt = 11°C		Δt = 14°C		Δt = 17°C		Δt = 19°C
		Расход м³/час	Напор, м	Расход м³/час	Напор, м	Расход м³/час	Напор, м	Расход м³/час	Напор, м
0175	42	3,2	0,2	2,5	0,2	2,2	0,2	1,8	0,1
0250	60	4,7	0,6	3,6	0,4	2,9	0,2	2,5	0,2
0325	77	5,8	1,0	4,7	0,6	4,0	0,4	3,2	0,3
0400	95	7,2	1,6	5,8	1,0	4,7	0,7	4,0	0,5
0500	119	8,6	0,4	7,2	0,3	5,8	0,3	5,0	0,2
0600	143	10,8	0,5	8,3	0,4	7,2	0,4	6,1	0,2
0715	170	12,6	0,8	10,1	0,6	8,3	0,5	7,2	0,3
0850	202	15,1	1,0	11,9	0,8	10,1	0,6	8,6	0,4
1010	240	18,0	1,4	14,4	1,0	11,9	0,8	10,1	0,6
1200	285	21,2	2,0	16,9	1,5	14,0	1,1	11,9	0,8
1430	339	25,6	2,7	20,2	2,0	16,9	1,5	14,4	1,1
1670	396	-	-	23,2	2,7	19,3	2,0	16,6	1,4
1825	433	-	-	25,9	3,1	21,6	2,4	18,4	1,7
2000	480	37,2	3,2	29,8	2,3	24,8	1,5	21,3	0,9
2450	589	45,6	5,0	36,6	3,1	30,4	2,4	26,1	1,7
3050	733	56,8	7,1	45,4	5,0	37,9	3,8	32,5	2,6
3500	841	64,5	9,2	52,2	6,6	42,9	5,1	37,2	3,2
4050	973	75,4	13,1	60,4	9,1	50,4	7,3	43,2	4,9
4500	1081	83,8	16,6	67,0	10,1	55,9	7,6	47,9	6,1
5000	1201	93,1	20,6	74,5	12,8	62,0	9,9	53,1	6,9

К вопросу о КПД котлов и КПД системы в целом (опыт США)

Российские нормативные документы, определяющие технические требования к котлам, (ГОСТ 20219-74, ГОСТ 11032-80, ГОСТ 10617-83) предписывают определять тепловую нагрузку газовых котлов по формуле:

                        N=B Q_н, ккал/ч (Вт),

где В - часовой расход газа, куб.м/час,

    Q_н - низшая теплота сгорания газа, приведенная к нормальным условиям, ккал/куб.м

В отличие от Российских, стандартами США на газовые котлы, при расчете нагрузки, применяется высшая теплота сгорания  (Q_в), которая в 1, 11 раза превышает Q_н. для природного газа и на 6% - для легкого жидкого топлива.

В результате величина тепловой нагрузки, расчитанная по высшей теплоте сгорания природного газа, на 11% больше, чем принятая  по Российским нормам.

(Как известно, высшая и низшая теплота отличаются на величину скрытой теплоты парообразования, т.е. на количесво теплоты, выделяющейся при полной конденсации водяных паров, образующихся при горении газа).  

Так как величина кпд является функцией тепловой нагрузки  (и, соответственно, теплоты сгорания газа), то величины кпд, расчитанные в соответствии со стандартом США на 11% ниже, чем расчитанные по Российским стандартам.

Например, для котла НН5000, по расчету, принятому в США, номинальная нагрузка по высшей теплоте составляет 1465 кВт, а полезная мощность котла - 1201 кВт, при этом величина кпд  составит:

                              1201 =0,82        

                              1465

При пересчете на низшую теплоту (по требованиям Российских норм), величина номинальной нагрузки на горелки котла уменьшится на 11% и составит:

1465 х 0,89=1303 (кВт),

таким образом кпд, приведенное к Российским стандартам :

                              1201 =0,92

                             1303

Следует отметить, что величина кпд, расчитанная по высшей теплоте для любых котлов никогда не бывает более 100%, в то время как кпд котлов конденсационного типа, расчитанный по низшей теплоте (применяющейся в России, странах СНГ и многих странах Европы), превышает 100%.

В США кпд котла не придают столь решающего значения, какое оно имеет в России и странах СНГ. Это связано с тем, что величина кпд является характеристикой котла только в режиме непрерывной работы (при номинальной производительности), а такой режим является чисто теоретическим.

В реальности тепловая нагрузка системы представляет собой величину переменную.  Наименее эффективный режим работы котла (вне зависимости от теоретической величины его кпд) имеет место в переходные периоды отопительного сезона.

В 1978 году Министерство энергетики США ввело в действие стандарт для оценки сезонного энергопотребления отопительных устройств. Установленный этим стандартом показатель AFUE (Annual Fuel Utilization Efficiency - годовая эффективность использования топлива) в настоящее время широко применяется в США для оценки работы системы в целом.

Величина AFUE выражается, как и кпд в процентах, но, в отличие от кпд,

она учитывает влияние многочисленных переходных периодов на протяжении всего отопительного сезона (т.е. всех периодов времени, когда котел работает в режиме неноминальной нагрузки).

Таким образом показатель AFUE используется для оценки реальных стоимостных затрат отопительного сезона.

Для этого Министерство энергетики США предлагает следующую формулу:

Примерное сезонное ₌ Суммарные теплопотери здания за сезон

потребление топлива             Показатель AFUE (десятичный)

Пример 1. Снижение сезонной эффективности работы системы по мере того, как номинальная производительность котла увеличивается по отношению к расчетной тепловой нагрузке системы ( По замерам на здании в г.Сиракузы, штат Нью-Йорк):

Соотношение: Производительность котла Расчетная тепловая нагрузка системы	Сезонная  эффективность работы системы
1,0 1,5 2,0 2,5 3,0	68% 58% 50% 45% 39%

Пример 2. Суммарные теплопотери здания в течение всего отопительного сезона равны

60 млн.БТЕ. Здание оборудовано газовым котлом, имеющим показатель AFUE равным 82%.

Расчитать  энергопотребление здания в течение отопительного сезона (Е).

                                                                        60

             Е = ------- = 73,2 млн.БТЕ

                                                                                                       0,82

Важно отметить, что реальная сезонная эффективность работы котла в исключительной мере зависит от системы, в которой сам котел является лишь элементом, а также от того, насколько котельное оборудование соответствует тепловой нагрузке здания (преимущественно в переходные периоды отопительного сезона).

Концепция многокотловой двухконтурной системы, предложенная корпорацией Лаарс является реальным инструментом повышения показателя AFUE системы отопления в целом.

Национальное Бюро по Стандартам США произвело независимое исследование эффективности концепции Лаарс по сравнению с традиционными котловыми системами. Результат исследования выражен следующим графиком:

                              

Где:  кривая 3 характеризует работу многокотловой двухконтурной системы

             (в  соответствии с концепцией Лаарс)

      кривые 1,2,4,5 - характеристики традиционно применяемых котловых схем.

Кривая 3 показывает наивысшее значение общей эффективности системы в переходные периоды отопительного сезона (т.е. когда тепловая нагрузка составляет от 5% до 65% номинальной производительности котельной установки).

УСТАНОВКА ГИДРОННЫХ КОТЛОВ В ПОМЕЩЕНИИ.

Определения:

Для котлов “LAARS Heating Systems” существуют 3 основных типа установки в помещении:

1. «КОМНАТА» – помещение, ширина которого на 915 мм больше ширины котла, а перед передней частью котла имеется пространство не менее 460 мм.

2. «АЛЬКОВ» – помещение, ширина которого менее чем на 915 мм превосходит ширину котла, а перед передней частью котла имеется пространство не менее 460 мм.

3. «ЧУЛАН» – любое помещение, в котором перед передней частью котла имеется пространство менее 460 мм.

РАЗРЫВЫ.

Разрывы существуют для следующих целей:

1. Безопасности: Минимальные разрывы сертифицируются Американской Газовой Ассоциацией для того, чтобы обеспечить на окружающих сгораемых конструкциях помещения безопасную температуру – максимально: не более чем на 50ºС выше температуры окружающего воздуха.

2. Обеспечения работы котла: Для нормальной работы котлу требуется адекватная циркуляция воздуха, даже если окружающие конструкции – несгораемые. Примечание: Величины разрывов могут быть уменьшены, если помещение, где установлены котлы достаточно большое относительно физического объёма котла, а конструкции помещения – несгораемые. Определение «большого» помещения – см. ниже.

3. Доступа к котлу для обслуживания: Нормы требуют наличие соответствующего пространства перед котлом для его обслуживания и осмотра. Если размеры помещения котельной позволяют, котлы должны устанавливаться с расстояниями для обслуживания большими, чем минимальные.

Требования к установочным разрывам указаны на шильдике котла. «Большое» помещение – объём которого в 16 раз больше, чем физический объём котла.

Рекомендуемое минимальное	Типоразмеры 0125-0400	Типоразмеры 0500-1825	Типоразмеры 2000-5000
расстояние от:	(мм)	(мм)	(мм)
Верха котла	940	760	610
Сбоку, со стороны водяных патрубков	457*	457*	610*
Сбоку, с противоположной стороны	152	152	610
Передней панели	914*	914*	1220*
Задней панели	150	205	610
Дымохода	150	152	152

*) Данные разрывы установлены из условий удобства обслуживания котла.

ВОЗДУХ ДЛЯ ГОРЕНИЯ И ВЕНТИЛЯЦИИ

Воздух необходим для снабжения кислородом газовоздушной смеси, требуемой при процессе горения.

Кроме того, подача воздуха необходима для:

1. Разбавления продуктов сгорания.

2. Вентиляции помещения котельной с целью предотвращения его перегрева.

3. Вентиляции для находящегося в помещении сервисного персонала.

4. Если установлены вентиляторы, компрессоры, централизованные пылесосы или подобное оборудование, потребляющее воздух из помещения, его объём должен быть компенсирован притоком воздуха извне помещения.

Воздух может подаваться к котлу одним из следующих способов:

1. Воздух из внутреннего пространства здания. Т.е. из смежных помещений, если: (а) общая площадь помещения установки котла и смежных помещений соответствует определению «нестеснённое» помещение; (б) их строительные структуры – не из лёгких конструкций; (в) их функциональное назначение – не спальня и не ванная комната.

2. Воздух извне здания. Непосредственный подвод воздуха извне через проёмы или воздуховоды.

3. Воздух из вентилируемых чердачных помещений. Чердак должен быть хорошо вентилирован, и иметь окна (проёмы) для воздуха с двух сторон.

4. Воздух из пазух здания, с последующим выходом на чердачные помещения. Как пазухи здания, так и чердачные помещения должны быть хорошо вентилируемы.

Рис.7	Рис.8	Рис.9	Рис.10

Определение «нестеснённого помещения»: Помещение котельной считается «нестеснённым», если оно имеет 1 куб.м и более объёма на каждые 0,2 кВт тепловой нагрузки на горелки всех газовых приборов, установленных в помещении. Объёмы смежных помещений, кроме тех, в которых расположено оборудование, могут также быть приняты в расчёт при подсчёте общего объёма «нестеснённого помещения» при условии, что имеются достаточно большие проёмы между этими помещениями и котельной для притока воздуха.

Если весь воздух поступает извне здания, необходимо устроить два проёма (окна) в наружной стене (рис.9), либо подавать наружный воздух через воздуховоды (см. Рис.8). Свободная площадь сечения (в свету) каждого воздуховода должна приниматься из расчёта 0,0011 м² на 1 кВт нагрузки на горелки всех газовых приборов, установленных в помещении котельной. При этом входное отверстие одного воздуховода должно располагаться на расстоянии 300 мм от потолка, а второго -  в 300 мм от пола.

Если в помещении котельной имеется наружная стена и монтаж воздуховода не требуется, следует устроить два проёма (окна) со свободной площадью сечения 0,00055 м² на 1 кВт нагрузки на горелки всех газовых приборов, установленных в помещении котельной. При этом один проём должен располагаться на расстоянии 300 мм от потолка, а второй - в 300 мм от пола.

В случае, когда весь воздух подаётся из чердачного помещения здания, необходимо удостовериться, что это помещение хорошо вентилируется и имеет вентиляционные окна (проёмы) с обоих концов. Один проём должен быть в потолке между помещением котельной и чердаком. Воздух должен подводиться из чердачного помещения через проём, расположенный на расстоянии 300 мм от пола. Как проем в потолке, так и проём, подающий воздух, должны иметь площадь в свету 0,00055 м² на 1 кВт нагрузки на горелки всех газовых приборов, установленных в помещении котельной. (См. Рис.10).

При использовании пазух здания (рис.7) для подачи воздуха и чердачных помещений для его выброса, как чердак, так и пазухи для подачи воздуха, должны быть хорошо вентилируемы.

Один проём должен быть в потолке между помещением котельной и чердаком, а второй – в области пола между котельной и пазухами здания. Оба проёма должны иметь площадь в свету 0,00055 м² на 1 кВт нагрузки на горелки всех газовых приборов, установленных в помещении котельной.

Указанные проёмы должны быть оборудованы жалюзи, сетками или решётками. Ячейка сетки, решётки, жалюзи не должна быть меньше 6,5 мм, а её площадь в свету – не менее 75%. Фирмы-изготовители сеток, решёток и жалюзи обычно указывают площадь в свету для своих изделий. Если же она не указана, для расчёта принимается, что площадь в свету составляет 50% общей площади сетки, решётки или жалюзи.

Необходимо регулярно проверять состояние дымоходов в целях нормальной работы газового оборудования. Это особенно важно для установок, воздух для работы которых полностью подаётся из внутреннего пространства здания.

ДЫМООТВЕДЕНИЕ

      Правильный расчёт и устройство системы дымоотведения котла является весьма важным для нормальной и безаварийной его работы.

      При замене старого котла на новый не следует предполагать, что существующая система дымоудаления будет хорошо работать с новым котлом. В этом случае следует также произвести расчёт для проверки соответствия дымохода котлу. При этом может понадобиться замена существующего дымохода.  

      Принятая в США классификация газовых котлов по условиям дымоудаления подразумевает 4 категории установок:

      Категория I. Котёл, работающий при не положительном давлении в дымоходе, с температурой уходящих дымовых газов не менее чем на 78ºС выше температуры точки росы, причём температура дымовых газов должна быть измерена согласно требованиям соответствующего стандарта.

      Категория II. Котёл, работающий при не положительном давлении в дымоходе, с температурой уходящих дымовых газов  менее чем на 78ºС выше температуры точки росы, причём температура дымовых газов должна быть измерена на входе в дымоход.

      Категория III. Котёл, работающий при положительном давлении в дымоходе, с температурой уходящих дымовых газов  не  менее чем на 78ºС выше температуры точки росы, причём температура дымовых газов должна быть измерена на входе в дымоход.

      Категория IV. Котёл, работающий при положительном давлении в дымоходе, с температурой уходящих дымовых газов  менее чем на 78ºС выше температуры точки росы, причём температура дымовых газов должна быть измерена на входе в дымоход.

      Котлы марки Mighty Therm производства корпорации LAARS относятся к первой категории.

      Точка росы продуктов сгорания природного газа находится в пределах от 43ºС до 65ºС в зависимости от коэффициента избытка воздуха и влажности наружного воздуха. В системе дымоудаления котлов, относящихся к Категории I, температура дымовых газов должна быть не менее чем на 78ºС выше температуры точки росы продуктов сгорания. Это значит, что минимальная температура в дымоходе должна быть выше 143ºС для обеспечения нормальной работы котла. Если система дымоудаления рассчитана и установлена правильно, это условие будет соблюдено.

Рис.11

      Из номограммы (Рис.11) видно, что если котёл работает в нормальном режиме, т.е. при содержании СО₂ в дымовых газах в пределах 7%-9%, а реальная эффективность сгорания топлива – 80%, температура дымовых газов будет в диапазоне от 350ºF до 410ºF (177ºС÷210ºС) выше температуры наружного воздуха. Если значительная часть неизолированного дымохода непосредственно соприкасается с наружным холодным воздухом; диаметр дымохода слишком велик; воздух для разбавления продуктов сгорания холодный – температура дымовых газов может опуститься ниже 143ºС. При этом в верхней части дымохода – в дымовой трубе – будет образовываться конденсат. Если же дымовые газы будут слишком переохлаждены, естественная тяга дымовой трубы значительно снизится или прекратится вообще. Из-за отсутствия тяги к камере сгорания котла будет подводиться недостаточный объём воздуха для горения, а продукты сгорания будут поступать через тягопрерыватель котла в помещение котельной и распространяться по всему зданию. Это, в свою очередь вызовет значительные отложения сажи на теплообменнике, выбросы пламени из топки котла и перегрев блока горелок. Если не принять мер к исправлению ситуации, возникнут проблемы с пилотной и основными горелками (могут сгореть), перегрев приборов контроля и управления, электрических проводов, также возможен выброс в помещения окиси углерода.

Система дымоудаления служит двум основным целям:

1. Удаление из котла продуктов сгорания в атмосферу.

2. Подвод воздуха в камеру сгорания для обеспечения.

В Американском национальный Газовом Кодексе различаются следующие типы дымоходов (включая дымовые трубы):

Тип В – дымоход для дымоотведения от сертифицированных котлов, имеющих тягопрерыватели и относительно низкой температурой отходящих газов.

Тип B-W – дымоход для дымоотведения от сертифицированных настенных котлов (водонагревателей).

Тип L – дымоход для котлов, работающих на высокотемпературных видах топлива (дрова, уголь).  

Дымоходы типа В – с двойной стенкой, подобные производимым Metalbestos или Amerivent. Тип B-W – овального или прямоугольного сечения, с двойной стенкой, применяются только для настенных котлов. Тип L может применяться вместо дымоходов типа В, так как рассчитаны на высокие температуры дымовых газов.

Одностенные дымоходы не сертифицированы Газовым кодексом, поэтому их применение недопустимо за пределами помещения котельной. Нормы некоторых штатов США запрещают применение одностенных дымоходов даже в пределах помещения котельной. Это обусловлено тем, что потери тепла дымовыми газами через одностенный дымоход велики и существует возможность того, что газы могут охладиться до температуры конденсации или блокировки тяги в дымоходе.

Кирпичные дымовые трубы не должны применяться для дымоотведения от газовых котлов без предварительного нанесения на их внутреннюю поверхность соответствующего покрытия. Кирпичные трубы вызывают конденсацию дымовых газов, в результате чего образуется кислота, разъедающая кладку.

Рис 12. Номограммы для расчета систем дымоудаления

МЕТОДЫ РАСЧЁТА СИСТЕМ ДЫМОУДАЛЕНИЯ

      Для расчёта систем дымоудаления любой сложности применяются номограммы, см. Рис.11. Эти номограммы выполнены на основе принципов расчёта, разработанных ASHRAE (Американское Общество инженеров по отоплению, кондиционированию воздуха и холодильному делу).